Интегральный регулятор напряжения генератора

Интегральный регулятор напряжения генератора

Описывается несложный способ проверки работоспособности и метод понижения/повышения порога срабатывания регулятора.

Данный регулятор предназначен для автоматического поддержания напряжения на обмотке возбуждения генератора переменного тока автомобилей МАЗ, КАМАЗ, ЛАЗ, ПАЗ и им подобным 24-вольтовым грузовикам. На заводе устанавливается напряжение срабатывания 28.4В при этом погрешность регулирования достигает ±0.8В. Проблема в том, что на практике чаше оказывается, что погрешность регулятора +0.8В, а это значит, что напряжение регулирования получается 29.2В. Из-за чего в летний период времени аккумуляторы перезаряжаются, перегреваются и выкипают. Из 20 испытанных регуляторов только один попался с погрешностью -0.8В (27.6В). Такой регулятор прекрасно работает в генераторе одного из автобусов ПАЗ и уже второй год аккумуляторы чувствуют себя прекрасно.

Ниже приведена схема, срисованная мной с печатной платы регулятора Я120М1 ТУ 4573-001-44378337-99 производства ЗАО «Энергомаш» г. Калуга.:

Схема нарисована с учетом расположения выводов на корпусе регулятора, из-за чего получилась не совсем удобочитаемая, но нам это и не нужно. А нужен нам входной делитель транзистора Q2 (контакт «Р» — переключатель лето/зима). Он состоит из последовательно соединенных резисторов 470Ом + 3.3кОм и параллельных 8.2кОм + 22кОм. В пересчете получается 3.77кОм в нижнем плече делителя + 5.97кОм в верхнем. Переключатель лето/зима устроен таким образом, что при замыкании контакта «Р» на «массу» из схемы делителя исключается резистор 470Ом и сопротивление делителя становится 3.3кОм + 5.97кОм при этом напряжение возбуждения на генераторе увеличивается. Соответственно, что-бы уменьшить порог срабатывания регулятора, нужно увеличить сопротивление нижнего плеча входного делителя транзистора Q2. На практике это оказалось удобно сделать впаяв последовательно с резистором 470Ом подстроечный многооборотный резистор сопротивлением 1кОм. Тогда схема регулятора принимает след. вид:

Таким образом, меняя соотношение сопротивлений делителя можно подстроить работу регулятора на свой вкус. Ниже, на фото отмечены места, куда можно припаять подстроечный резистор:

Теперь самое важное — как же проверить исправность интегрального регулятора типа Я120М1 и узнать порог срабатывания. Для этого нужно всего две вещи: лампочка 12В 1-10Вт и регулируемый блок питания с максимальным пределом не менее 30В и с индикатором напряжения. Важно, что-бы блок питания был стабилизированным — простой «зарядник» не годится. Соединяем все согласно схеме:

Выставляем напряжение на блоке питания 24В. Теперь, если регулятор исправен, лампа должна засветиться при подаче напряжения на схему. Плавно увеличиваем напряжение БП до тех пор пока лампа не погаснет. Напряжение, при котором лампа перестает светиться и есть напряжение регулирования интегрального стабилизатора. Если при достижении 30В лампа не гаснет или гаснет выше 29.2В — регулятор неисправен или нарушена регулировка (например из-за влаги внутри корпуса). Теперь, если лампа погасла, плавно уменьшаем напряжение до 24В — лампа должна засветиться при напряжении на пару вольт ниже, чем при котором выключилась. Это явление называется гистерезис и оно очень полезно для фильтрации ложных срабатываний аналогового компаратора.

Генераторные установки с интегральными регуляторами напряжения

В настоящее время интегральные регуляторы напряжения (Я112А, ЯП2В, Я120АТ и ЯП2Б) широко используются на автомобильных и тракторных генераторах. В них часть элементов выполнены неразъемными по методу толстопленочной технологии на теплопроводящей кера­мической пластине (блок пассивных элементов—резисторы, проводники). Вторая часть (блок мощных активных элементов — бескор­пусные кремниевые транзисторы и диод выходного каскада) напаяна на высокотеплопроводную металлизированную керамическую под­ложку.

Блок пассивных элементов смонтирован на металлическом основании, служащем минусовым выводом схемы и теплоотводом мощных активных элементов. К контактным площадкам блока пассивных элементов припаяны выводы дискретных (отдельных) элементов схемы—конденсаторов, транзисторов — и блока мощных активных элементов. Схема регулятора закрыта пластмассовой крышкой для защиты от механических повреждений. Свободное простран­ство под крышкой заполнено герметизирующим топливоводостойким компаундом. Выводы ИРН (контактные площадки) изолированно закреплены на основании и обозначены на крышке буквами «В», «В», «Ш» на одних регуляторах и «В», «Ш», «Д», «С» на других. Схема не подлежит разборке и ремонту. Работа ИРН описана ниже.

Генераторная установка 15.3701 номинальной мощностью 1000 Вт напряжением 14 В используется на тракторах Т-150К, ДТ-75С и ком­байнах, имеющих потребители повышенной мощности. Установка создана на базе генератора Г309. Она представляет собой бескон­тактную индукторную пятифазную одноименнополюсную машину с односторонним электромагнитным возбуждением, встроенным ин­тегральным регулятором напряжения Я112Б, основным и дополни­тельным выпрямителями (блоком БПВ 12-100).

Рис. Генераторная установка 15.3701:
а — конструкция 1— крышка регулятора; 2 — регулятор напряжения; 3 — вы­прямитель; 4, 10 — подшипники; 5 — обмотка статора; 6 — пакет ротора; 7 — статор;8 — передняя крышка; 9 — обмотка возбуждения; 11 — шкив; 12 — втулка фланцевая, 13 — вентилятор генератора; 14—задняя крышка; 15 —вентилятор выпрямителя;
б — выпрямительный блок БПВ 12-100 с интегральным регулятором напряже­ния Я112Б; 1 — диод ВА-20 обратной полярности; 2—-диод ВА-20 прямой по­лярности; 3 — болт крепления теплоотвода; 4— диод дополнительного выпря­мителя; 5 — теплоотвод диодов прямой полярности; 6 — крышка выпрями­тельного блока; 7 — корпус ИРН конденсатора фильтра и двух резисторов; 8 — выводной болт «В»; 9 — резистор ППР; 10 — конденсатор; 11 — резистор подпитки обмотки возбуждения; 12 — ИPH; 13 — крышка корпуса ИРН; 14 — винт крепления ИРН; 15 — вывод «Д» дополнительного выпрямителя, 16 — ППР; 17 -— соединительная пластина диодов; 18 — корпус выпрямительного блока;
в — схема генераторной установки.

Схема генераторной установки 15.3701 с ИРН Я112Б приведена на рис. 4, в. Пять фазных выводов подве­дены от углов пятиугольника к основному двухполупериодному вы­прямителю. Три фазных вывода (от двух смежных и одного несмеж­ного углов) подведены к дополнительному однополупериодному вы­прямителю для питания обмотки возбуждения. Конденсатор фильтра в этой установке подключен выводом «+» к клемме «С», а вторым — к клемме «Ш» ИРН.

Схема интегрального регулятора напряжения Я112Б состоит из ряда функциональных каскадов. Измеритель напряжения (чувстви­тельный каскад) включает в себя стабилитрон Vст с входным дели­телем напряжения на резисторах Rl, R2, Rрег. Резистор Rрег служит для настройки регулятора на требуемый уровень напряжения. В ре­гулирующий каскад включены составной транзистор V3-V2, управля­емый транзистором VI, и резисторы Re, R4, R5. В схему регулятора подключены дополнительные элементы: резистор подпитки Rп (между клеммами «Б» и «Д»), улучшающий самовозбуждение генератора, конденсатор Сф, обеспечивающий работу генераторной установки без аккумуляторной батареи (сглаживает пульсацию выпрямительного напряжения), резистор Rup с переключателем посезонной регулировки ППР —для повышения уровня регулируемого напряжения на 0,8… 1,2 В при работе зимой.

Рис. Генераторная установка 17.3701: а — схема генераторной установки 17.3701; б — щеткодержатель с ИРН; 1 — ИРН; 2 — кожух; 3, 4 — контактные пластины щеток; 5 — щеткодержатель; 6 — контактная пластина вывода «Ш»; 7 — щетка.

Устройство автомобилей

Генераторная установка предназначена для обеспечения питанием потребителей, входящих в систему электрооборудования автомобиля, и зарядки аккумуляторной батареи при работающем двигателе. Выходные параметры генератора должны быть таковы, чтобы в любых режимах движения автомобиля и работы двигателя не происходил прогрессивный разряд аккумуляторной батареи или ее перезаряд, а питание потребителей осуществлялось напряжением и током требуемой величины.
Кроме того, напряжение в бортовой сети автомобиля, питаемой генераторной установкой, должно быть стабильно в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузок.

ЭДС индукции в соответствии с законом Фарадея, зависит от скорости перемещения проводника в магнитном поле и величины магнитного потока:

где с — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции генератора;
ω — угловая скорость ротора (якоря) генератора:
Ф — магнитный поток возбуждения.

Поэтому напряжение, вырабатываемое генератором, зависит от частоты вращения его ротора и интенсивности магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения. В свою очередь мощность магнитного потока зависит от величины тока возбуждения, который изменяется пропорционально частоте вращения ротора, поскольку ротор выполнен в виде вращающегося электромагнита.
Кроме того, ток, поступающий в обмотку возбуждения, зависит от величины нагрузки, отдаваемой в данный момент потребителям бортовой сети автомобиля. Чем больше частота вращения ротора и ток возбуждения, тем большее напряжение вырабатывает генератор, чем больше ток нагрузки, тем меньше генерируемое напряжение.

Пульсация напряжения на выходе из генератора недопустима, поскольку это может привести к выходу из строя потребителей бортовой электрической сети, а также перезаряду или недозаряду аккумулятора. Поэтому использование на автомобилях в качестве источника электроэнергии генераторных установок обусловило использование специальных устройств, поддерживающих генерируемое напряжение в приемлемом для работы потребителей диапазоне. Такие устройства называются реле-регуляторы напряжения.
Функцией регулятора напряжения является стабилизация вырабатываемого генератором напряжения при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки в бортовой электросети.

Наиболее просто контролировать величину вырабатываемого генератором напряжения изменением величины тока в обмотке возбуждения, регулируя тем самым мощность создаваемого обмоткой магнитного поля. Можно было бы использовать в качестве ротора постоянный магнит, но управлять магнитным полем такого магнита сложно, поэтому в генераторных установках современных автомобилей применяются роторы с электромагнитами в виде обмотки возбуждения.

На автомобилях для регулирования напряжения генератора применяются регуляторы напряжения дискретного типа, в основу работы которых положен принцип действия различного рода реле. По мере развития электротехники и электроники, регуляторы генерируемого напряжения претерпели существенную эволюцию, от простых электромеханических реле, называемых вибрационными регуляторами напряжения, до бесконтактных интегральных регуляторов, в которых полностью отсутствуют подвижные механические элементы.

Вибрационный регулятор напряжения

Рассмотрим работу регулятора на примере простейшего вибрационного (электромагнитного) регулятора напряжения.
Вибрационный регулятор напряжения (рис. 1) имеет добавочный резистор R_о, который включается последовательно в обмотку возбуждения ОВ. Величина сопротивления резистора рассчитана так, чтобы обеспечить необходимое напряжение генератора при максимальной частоте вращения. Обмотка регулятора ОР, намотанная на сердечнике 4, включена на полное напряжение генератора.

При неработающем генераторе пружина 1 оттягивает якорь 2 вверх, удерживая контакты 3 в замкнутом состоянии. При этом обмотка возбуждения ОВ через контакты 3 и якорь 2 подключена к генератору, минуя резистор R_о.

С увеличением частоты вращения ток возбуждения работающего генератора и его напряжение растут. При этом увеличивается сила тока в обмотке регулятора и намагничивание сердечника. Пока напряжение генератора меньше установленного значения, силы магнитного притяжения якоря 2 к сердечнику 4 недостаточно для преодоления силы натяжения пружины 1 и контакты 3 регулятора остаются замкнутыми, а ток в обмотку возбуждения проходит, минуя добавочный резистор.

При достижении напряжения генератора значения размыкания U_р сила магнитноо притяжения якорька к сердечнику преодолевает силу натяжения пружины и контакты регулятора напряжения размыкаются. При этом в цепь обмотки возбуждения включится добавочный резистор, и ток возбуждения, достигший к моменту срабатывания реле значения I_р, начнет падать.
Уменьшение тока возбуждения влечет за собой уменьшение напряжения генератора, а это, в свою очередь, приводит к уменьшению тока в обмотке ОР. Когда напряжение уменьшится до значения замыкания U_з, сила натяжения пружины преодолеет силу магнитного притяжения якоря к сердечнику, контакты вновь замкнутся, и ток возбуждения увеличится. При работающем двигателе и генераторе этот процесс периодически повторяется с большой частотой.
В результате происходит пульсация напряжения генератора и тока возбуждения. Среднее значение напряжения U_ср определяет напряжение генератора. Очевидно, что это напряжение зависит от силы натяжения пружины реле, поэтому изменяя натяжение пружины можно регулировать напряжение генератора.

В конструкцию вибрационных регуляторов (рис. 1, а) входит ряд дополнительных узлов и элементов, назначение которых — обеспечить повышение частоты колебания якоря с целью уменьшения пульсации напряжения (ускоряющие обмотки или резисторы), уменьшение влияния температуры на величину регулируемого напряжения (добавочные резисторы из тугоплавких металлов, биметаллические пластины, магнитные шунты), стабилизацию напряжения (выравнивающие обмотки).

Недостатком вибрационных регуляторов напряжения является наличие подвижных элементов, вибрирующих контактов, которые подвержены износу, и пружины, характеристики которой в процессе эксплуатации меняются.
Особенно сильно эти недостатки проявились в генераторах переменного тока, у которых ток возбуждения почти в два раза больше, чем в генераторах постоянного тока. Использование раздельных ветвей питания обмотки возбуждения и двухступенчатых регуляторов напряжения с двумя парами контактов не решали проблему полностью и приводили к усложнению конструкции регулятора, поэтому дальнейшее совершенствование шло, прежде всего, по пути широкого использования полупроводниковых приборов.
Сначала появились контактно-транзисторные конструкции, а затем и бесконтактные.

Контактно-транзисторные регуляторы напряжения являются переходной конструкцией от механических регуляторов к полупроводниковым. При этом транзистор выполнял функцию элемента, прерывающего ток в обмотку возбуждения, а электромеханическое реле с контактами управляло работой транзистора. В таких регуляторах напряжения сохранялись электромагнитные реле с подвижными контактами, однако, благодаря использованию транзистора ток, протекающий через эти контакты, удалось значительно уменьшить, увеличив тем самым срок службы контактов и надежность работы регулятора.

В полупроводниковых регуляторах ток возбуждения регулируется с помощью транзистора, эмиттерно-коллекторная цепь которого включена последовательно в обмотку возбуждения.
Транзистор работает аналогично контактам вибрационного регулятора. При повышении напряжения генератора выше заданного уровня транзистор запирает цепь обмотки возбуждения, а при снижении уровня регулируемого напряжения транзистор переключается в открытое состояние.

Электронные регуляторы изменяют ток возбуждения путем включения и отключения обмотки возбуждения от питающей сети (дополнительных диодов).
С увеличением частоты вращения ротора напряжение генератора повышается. Когда оно начинает превышать уровень 13,5…14,2 В, выходной транзистор в регуляторе напряжения запирается, и ток через обмотку возбуждения прерывается.
Напряжение генератора падает, транзистор в регуляторе отпирается и снова пропускает ток через обмотку возбуждения.

Чем выше частота вращения ротора генератора, тем больше время запертого состояния транзистора в регуляторе, следовательно, тем сильнее снижается напряжение генератора.
Этот процесс запирания и отпирания регулятора происходит с высокой частотой. Поэтому колебания напряжения на выходе генератора незначительны, и практически можно считать его постоянным, поддерживаемым на уровне 13,5…14,2 В.

Конструктивно регуляторы напряжения могут выполняться в виде отдельного прибора, устанавливаемого раздельно с генератором, или интегральными (интегрированными), устанавливаемыми в корпусе генератора. Интегральные регуляторы напряжения обычно объединяются с щеточным узлом генератора.

Ниже приведены принципиальные схемы подключения и работы полупроводниковых регуляторов напряжения различных типов и конструкций.

Интегральный регулятор напряжения

Интегральный регулятор напряжения
Одним воскресным днем решил проверить заряд аккумулятора и работоспособность генератора. Диагностикой пришлось заняться по причине слабо горящей на панели приборов "лампы генератора".
Запустил двигатель, мультиметр подключил на клеммы аккумулятора. Прибор показал колебания напряжения 16-18В. От оборотов показания не менялись.
Первое на что подумал при данной проблеме это вышедшая из строя интегралка. Штатный интегральный регулятор — Я112В. Поехал купил новую интегралку, установил — но показания мультиметра стали чуть лучше 16-17В. Проблема сохранилась. Возможно интегралка была брак, тогда я решил разобраться с принципом работы возможных вариантов интегралок. Слышал что Я112А и Я112В в принципе взаимозаменяемы, скажу сразу без доработок — нет. Обшарил практически весь инет — но нормального комплексного решения не нашел — поэтому и решил сделать эту запись может кому и пригодится.

В чем же принципиальные отличия Я112А и я 112В? разобрал обе интегралки я обнаружил что отличий практически и нет — они даже комплектуются одними и теми же транзисторами. Отличие их заключается в том, что контакты (на интегралке Я112В) Б и В разъединены между собой а на Я112А спаяны.

Поэтому можно приобрести интегралку Я112А на которой будут выводы Ш-Б-В и Я11В(В1, В2) с маркировкой Ш-В-В, не знаю кто их производит но явно не запариваются насчет маркировки. Но правильно было бы маркировать как есть Ш-В-В для 112А и Ш-В-Б для Я112В.

Решил проверить купленную интегралку на работоспособность. Приобрел лампу 12В, 5Вт — усадил ее на клемы Ш и В (Б и В запаял между собой) — схему проверки привожу тут же. Схема проверки хоть и для Я112А — отличия этих интегралок я привел выше.
Регулируемым блоком питания подал напряжение с 12В постепенно поднимая выше.

Интегралка отработала ровно как и положено в пределах нормы — с 13,6В до 14,2В. Вопрос о ее браке отпал.

Почему нельзя заместо Я112В поставить Я112А. Согласно их схемам подключения в Я112А постоянно держит под потенциалом обмотку подмагничивания, поэтому даже когда авто не работает ток потребления составляет 1А. А Я112В потребляет лишь малую долю на радиоэлементы. Но заменить 112В на 112А можно если сделать переключатель и отдельно подвести питание к ней через этот переключатель. Этот переключатель в обход замка зажигания (если через замок, то он — замок, долго не проживет). Сечение провода должно выдерживать ток 5А, но лучше и с запасом.
А вот поставить вместо Я112А интегралку Я112В(В1, В2) можно без проблем — всего лишь надо запаять контакты Б и В — и она превратиться в 112А без каких либо последствий.

Решением моей проблемы стало — замена Я112В на Я112А с отдельным тумблером включения самой интегралки напрямую от "+" аккумулятора. Тумблер вывел в салон и цифровой вольтметр (продают в радиодеталях 200р.) для мониторинга заряда АКБ. Скачки напряжения прекратились зарядка стала ровной 14,2В